再生混凝土骨料级配对混凝土强度的影响研究

　摘要：骨料级配是影响混凝土强度的主要因素之一。在水灰比0.55和水泥、细骨料、粗骨料的配合比为1：2：2.75情况下，对不同粗骨料级配情况下的再生混凝土工作性能和受压强度进行了实验测试，通过实验发现再生混凝土破坏形态和普通混凝土破坏形态相似，当混凝土工作性能有保证时，再生混凝土的强度会增大。但当混凝土工作性能没有保证或变差时，强度会降低。在不同粒径粒数分布满足分形规律和满足骨料级配的情况下，计算了包裹骨料需要的水泥浆与总水泥浆的比值γ ，γ 值可以反映不同骨料级配变化引起的骨料表面积的变化。γ 值越大，骨料的表面积越大。γ 较大时混凝土工作性能和受压强度降低。比值γ 较小时混凝土工作性能和受压强度提高。中部粒径范围骨料级配的变化对再生混凝土工作性能和受压强度有明显影响。再生骨料替代率分别为50%、60%、100%时，粒径范围9.5-19mm和19~26.5mm的骨料级配接近，再生混凝土强度可以高于天然骨料的混凝土强度。再生骨料替代大粒径范围骨料的强度小于替代小粒径范围骨料的强度。

　　关键词：再生骨料 级配 工作性能 强度 骨料表面积

　　1. 引言

　　由于国内大量的基本建设和各类工程建设需求，使得我国水泥产量在2003 年达到8 亿吨，占当年世界产量42%，排名第一[1]。同时大量基础工程改造和城市大规模拆迁每年产生大约2.4 亿吨的废弃混凝土[2]。将废弃混凝土再生利用，既可有效减少建筑垃圾的数量，同时可节省天然石料、保护自然资源，是有效解决发展、环境、资源相互协调的有力措施。

　　废弃混凝土经过破碎、清洗、分级后,按一定的比例混合形成再生骨料,部分或全部代替天然骨料配制而成的新混凝土称为再生混凝土。大量的再生混凝土研究表明再生粗细骨料对混凝土各项性能都产生影响[3,4]。经过对再生骨料的替代率和水灰比的控制，可以制备满足性能要求的各类混凝土，但从中也发现相同水灰比下的再生混凝土性能差异比较大，随替代率提高，差异有增大的趋势，反映出再生骨料的特性对混凝土性能的影响很大[5]。研究人员对再生骨料的吸水率、压碎值指标等特性
已经做了大量研究[6]，但对再生骨料级配对混凝土性能的影响研究比较少，而骨料级配既是影响混凝土性能的关键因素之一，也是混凝土配合比设计的一个主要参数[7]，为此本文就再生混凝土骨料级配对混凝土强度的影响进行研究。

　　2. 试验内容

　　2.1 实验原材料

　　水泥采用福建水泥有限公司建福水泥厂生产的建福牌32.5普通硅酸盐水泥，砂料为普通天然砂，拌和水为自来水。天然骨料采用天然石材加工而成的碎石，粒经范围为4.75－31.5mm，连续级配。废弃混凝土块从厦门某住宅小区拆迁现场采集，采集现场如图1所示，采集的废弃混凝土运到碎石场破碎，碎石现场如图2所示。废弃混凝土经破碎加工而成，选取粒经范围4.75－31.5mm的骨料作为连续级配再生骨料。典型的骨料颗粒如图3所示，可以看出再生骨料颗粒有：部分或全部水泥浆包裹的碎石骨料、水泥浆粘合几块碎石形成的骨料、水泥浆块和碎石粘合形成的骨料、单独的水泥浆块骨料和单独的碎石骨料等五种情况。天然骨料与再生骨料的级配见表1，再生骨料的级配与天然骨料略有不同，再生骨料中大直径颗粒相对较多。测试的骨料基本性能如表2所示，与大多数再生骨料特点相同，其堆积密度和表观密度小于天然骨料，吸水率、压碎值指标都大于天然骨料，再生骨料的针片状含量低于天然骨料。

　　2.2 实验分组

　　按骨料的不同级配，实验分为11组，水灰比均为0.55，单位体积细骨料相同，都为800kg。各组的骨料级配设计如表3所示，各组混凝土的骨料级配和配合比见表4。按表4不同骨料粒径范围做出各组骨料的级配比例如图4所示。

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　　2.3 试块的制作与试验方法

　　所有试验混凝土拌和物均采用机器搅拌和振捣，按照《普通混凝土拌和物性能试验方法》（GB/ T 50080 —2002）操作[9]。24h后拆模，在标准养护条件下养护至一定龄期测试其抗压强度，试块尺寸均为100×100×100mm，抗压强度测试按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/ T 50081 —2002)操作[10]，压力机型号为YE-2000。

　　3. 实验结果和分析

　　3.1. 再生混凝土的破坏形态

　　随着荷载的增大，试块表面开始出现细小的裂缝；荷载继续增大，裂缝沿着受力方向发展，裂缝主要集中于试块四角部分，少量裂缝在试块中部出现；荷载进一步增大，裂缝开始向试块中部发展，且试块表面开始鼓起、剥落，试块四角处出现很宽的裂缝；再增加荷载，混凝土块大量剥落，试块四角完全剥落，最终形成倒四角椎，破坏过程见图5。

　　从试块的外在破坏形态来看，再生混凝土破坏形态和普通混凝土破坏形态相似。

　　3.2. 各组混凝土的工作性能和强度

　　测试的各组混凝土的坍落度、保水性、和易性以及抗压强度如表5。从中可以看出不同骨料级配的混凝土不仅其工作性能相差很大，不同龄期的混凝土强度也相差很大。

　　3.3. 实验结果分析

　　由于各组混凝土试块的水灰比和配合比相同，骨料级配的不同将形成不同的内部结构。由于再生骨料吸水率大于天然骨料，所以随再生骨料的增加，骨料吸取了水泥浆体中更多的水分，使得水泥浆体的实际水灰比降低，当混凝土工作性能有保证时，混凝土的强度会增大，如A6、A8~A11各组的测试结果。但当混凝土工作性能没有保证或变差时，强度会降低，如A2~A5、A7各组的测试结果。特别是增加小直径骨料含量，使得工作性能降低，强度也很低。如A7的测试结果。

　　4. 骨料级配对混凝土抗压强度影响的理论分析

　　骨料与水泥浆的交接面强度是影响混凝土强度的一个主要因素[11]。当交接面强度比较低时，混凝土强度也比较低，而交接面强度高时，混凝土强度也高。当再生骨料吸取水泥浆体中的水分降低了水泥浆实际的水灰比，使得交接面强度提高时，再生混凝土的强度就会提高。但当再生骨料吸取水分后的水泥浆水灰比很小，使得交接面强度降低时，再生混凝土的强度也会降低。

　　交接面的强度主要由水泥浆包裹骨料的质量即水泥浆和骨料之间的结合层控制[12]。混凝土中骨料总表面积Ω就是结合层的面积，当结合层厚度取相同值h ，就可以得到包裹骨料需要的水泥浆体积Δ = Ω*h，用包裹骨料需要的水泥浆体积Δ 除以混凝土中水泥浆总体积V可得比值r = Δ/V ，r反映了水泥浆和骨料之间形成结合层的相互关系。r越接近1，说明水泥浆体包裹骨料越难，结合层质量越难以保证。计算不同级配再生骨料的rc ，rc可反映不同再生骨料级配吸取水分的程度。r越大，说明骨料的吸水越多。

　　4.1 骨料总表面积Ω 的计算

　　骨料总表面积Ω 的计算过程如图6所示，骨料尺寸的范围为骨料筛分测试的上下限，如本次实验 中的骨料为4.75-31.5mm。为将连续分布的骨料尺寸离散化，将骨料的尺寸按一定的尺寸差异进行分割，如尺寸差异按1mm分割，则本次实验的骨料尺寸可用[5,6,7....31]的离散骨料尺寸表示。如本次骨料筛分为[4.75-9.5，9.5-19， 19-26.5，26.5-31.5]四段，则每段内的骨料尺寸d分别为[5,6,...9]、[10,11,...19]、[20,21,...26]和[ 27,28,..31]。

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　　如果骨料的形状假定为以其尺寸d 为直径的球体，则不同的骨料表面积为4πd2。骨料级配可采用理论曲线或实际混凝土配合时各部分骨料的重量，如本次实验A1组四部分骨料的重量分别为[35，584，343，140]，其级配为[0.0318，0.5299，0.3113，0.1270]。

　　假定不同粒径粒数分布满足分形的规律[13]，按照分形概念，粒数分布曲线的分形度量公式可以写成：

　　计算表3各组骨料的相对比值r，与实测的混凝土受压强度关系如图7所示。比较图4和图7可以看出，相对比值r可以反映不同骨料级配变化引起的骨料表面的变化。如A3组小尺寸骨料增多，骨料表面积增大，比值r增大。而A2组由于大尺寸骨料增多，骨料表面积减小，比值r减小。比值r与骨料表面积有很好的相关性。

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　　4.3 计算和实验结果分析

　　从图7可以看出，当比值γ 大于0.085时，不论混凝土工作性能好差，如A3、A5、A7组，受压强度为108~134MPa。当比值r小于0.085时，混凝土工作性能较好，受压强度可以达到293~430MPa。但其中增加粒径范围为9.5-19mm的骨料 ，同时减少粒径范围为19-26.5mm的骨料，如A4；或减少粒径范围为9.5-19mm的骨料 ，同时增加粒径范围为19-26.5mm的骨料，如A2；混凝土工作性能较差，受压强度降低为130~184MPa。所以，当比值γ 比较小，如本例中小于0.085时，中部粒径范围9.5-26.5mm骨料级配差异较小时，混凝土工作性能较好，受压强度高；而当中部粒径范围9.5-26.5mm骨料级配差异较大时，混凝土工作性能差，受压强度低。当此值γ 比较大，如本例中大于0.085时，混凝土工作性能差，受压强度低。

　　按《混凝土泵送施工技术规程》要求的骨料级配制备再生混凝土，如A3、A4、A5组，混凝土工作性能差，受压强度为129~134MPa，强度比较低。而增加粒径范围26.5-31.5mm和19-26.5mm的骨料含量，如A6、A8组，混凝土工作性好，受压强度达到388~430MPa，强度比较高。当增加粒径范围4.75-9.5mm的骨料含量，如A7组，混凝土工作性能差，受压强度仅为108MPa，强度很低。

　　采用再生骨料的自然级配制备混凝土，如A2，尽管比值r比较小，但混凝土工作性能差，受压强度为184MPa，强度低。再生骨料替代率分别为50%、60%、100%时，通过调整粒径范围9.5-26.5mm的骨料，使其级配接近，再生混凝土强度可以高于天然骨料的混凝土强度，如A10、A11、A9、A6、A8组的强度为388~430MPa高于A1组强度293MPa。

　　再生骨料替代粒径范围4.75-19mm的骨料与替代粒径范围19-31.5mm的骨料分别制备再生混凝土，如A10、A11组，替代大粒径范围骨料的强度小于替代小粒径范围骨料的强度。

　　5. 结论

　　通过实验测试和计算分析，可以得出如下结论：

　　1、 相对指标r可以反映不同骨料级配变化引起的骨料表面的变化。r值越大，骨料的表面积越大，包裹骨料需要的水泥浆越多。当水灰比为0.55时，r大于0.085时，混凝土工作性能好差，受压强度低。当比值r小于0.085时，混凝土工作性能较好，受压强度高。

　　2、 当比值r比较小时，中部粒径范围9.5-26.5mm骨料级配差异较小时，混凝土工作性能较好，受压强度高；而当中部粒径范围9.5-26.5mm骨料级配差异较大时，混凝土工作性能差，受压强度低。

　　3、 按《混凝土泵送施工技术规程》要求的骨料级配制备再生混凝土，混凝土工作性能差，受压强度比较低。

　　4、 增加粒径范围19-26.5mm 和26.5-31.5mm的骨料含量，混凝土工作性好，受压强度高。而增加粒径范围4.75-9.5mm的骨料含量，混凝土工作性能差，受压强度低。

　　5、 采用再生骨料的自然级配制备混凝土，尽管比值r比较小，但混凝土工作性能差，受压强度低。

　　6、 再生骨料替代率分别为50%、60%、100%时，调整粒径范围9.5-26.5mm的骨料，使其级配接近，再生混凝土强度可以高于天然骨料的混凝土强度。

　　7、 再生骨料替代大粒径范围骨料的强度小于替代小粒径范围骨料的强度。

　　参考文献

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作者：上海大学土木工程系 石建光
厦门大学土木工程系 许岳周